Какие из свойств металлов и сплавов относятся к физическим

05Дек

• By: Семантика

• Без рубрики

• Comment: 0

Содержание статьи

1. Что это такое – металл
2. Физические свойства
3. Основные химические свойства металлов
4. Признаки
5. Классификация и виды металлов
6. Сплавы
7. Сравнение свойств

Обнаружение общих физических и химических свойств металлов и сплавов привело к повсеместному использованию материала. Со временем ученые начали подробно изучать его характеристики, а также создавать различные методы металлообработки, которые увеличивают прочность, улучшают кристаллическую решетку. На настоящий момент есть такие составы, которые используются при кораблестроении.

Все больше сфер жизни не может обойтись без металлических элементов – от бытовой ложки или авторучки до сложных механических узлов и микросхем. Но обыватели часто не понимают, что за вещество мы используем, и какие особенности дают ему такую распространенность. В статье мы подробно поговорим про это.

Что это такое – металл

Древнегреческое слово metallion как раз обозначает «выкапывать из земли» – добытое из горной руды. На настоящий момент известно 96 значений в чистом виде и неограниченное количество сплавов. Все они отличаются от неметаллов повышенными прочностными качествами и проводимостью, поэтому из них делают провода. На первый взгляд отличить металлический образец от каменного или иного можно по специфическому блеску.

Физические свойства

В условиях комнатной температуры и без применения давления все вещества обладают твердым состоянием. Но есть галлий, он уже при 30 градусах тепла начинает деформироваться, тает в руках. Можно отметить характеристики:

• Высокая пластичность. Хрупкие только марганец, олово и цинк.
• Могут быть легкие и тяжелые. Сравни алюминий с осмием.
• Температура плавления очень большая. Есть и исключения, например, ртуть, именно по этой причине ее используют в классических термометрах.
• Цвет – серый, серебристый, голубоватый. Редкими являются цветные изделия, например, желтые или красные.
• Увеличенная проводимость тепла и электричества, особенно у меди, поэтому имеют популярность медные провода.

Основные химические свойства металлов

В данной категории нет общих правил, так как все они разделяются на множество подгрупп по уровню активности – щелочные, актиноиды, полуметаллы и другие. Многие взаимодействуют с водой, почти все – с кислородом (кроме золота и платины),происходит окисление. Процесс проходит в нормальных условиях, если в составе много щелчки, только при нагреве – если нет. Также почти все элементы вступают в реакцию с серой и хлором.

Признаки

Перечислим черты, по которым обыватель может отличить вещества этой категории от неметаллов:

• леск.
• Хорошая проводимость тепла и электричества.
• Прочность.
• Подвергаются ковке и свариванию.
• Кристаллическое строение тела.
• Высокая температура плавления и кристаллизации.

Классификация и виды металлов

Есть чистые, однокомпонентные структуры и сплавы. Самым классическим примером можно назвать различные виды стали. Они различаются по ГОСТу в соответствии с добавлением легирующих добавок. Чем больше содержание углерода, тем крепче материал. Также есть общепринятое разграничение, ниже представим подтипы.

Черные

Их добывают из металлической руды. В производстве они занимают 90% от всего сырья. Обычно это чугуны и стали. Для изменения характеристик добавляют большее или меньшее количество углерода и легирующие добавки: медь, кремний, хром, никель.

Одним из очень популярных подвидов является нержавейка, которая отличается своим блеском поверхности и уникальными свойствами – легкостью, высокой прочностью и устойчивостью к влажности, температурным перепадам.

Что относится к цветным металлам

Второе название – нежелезные, то есть сплавы не содержат в себе железа, а состоят из более дорогостоящих материалов. Вещества имеют различный цвет, отличаются уникальными качествами:

• долговечность;
• длительное сохранение свойств;
• образование оксидной пленки, которая препятствует коррозии.

Благодаря этому, определенные разновидности можно использовать в медицине, ювелирном деле, химической промышленности, при изготовлении электрических проводов. К цветмету относится алюминий, цинк, олово, свинец, никель, хром, серебро, золото и другие.

Медь и ее сплавы являются популярными металлами

Медная руда была обработана человеком одна из первой, потому что она подвергается холодному методу ковки и штамповки. Податливость привела к востребованности повсеместно. Кислород в составе приводит к красному отливу. Но уменьшение валентности в различных соединениях приведет к желтому, зеленому, синему цвету. Привлекательным качеством считается отличная теплопроводность – на втором месте после серебра, поэтому она применяется для проводов. Соединения могут быть:

• твердыми – в сочетании с железом, мышьяком, цинком, фосфором;
• с плохой растворимостью с висмутом, свинцом;
• хрупкими – с серой или кислородом.

К металлам относятся алюминий и сплавы

Al открыт в 1825 году и отличается легкостью и простотой в металлообработке. Производится из бокситов, при этом запасы этой горной породы практически неиссякаемы. Далее элемент соединяют в различных пропорциях с медью, марганцем, магнием, цинком, кремнием. Реже с титаном, литием, бериллием. Особенности в зависимости от добавок:

• хорошая свариваемость;
• устойчивость к коррозии;
• высокая усталостная прочность;
• пластичность.

Его применяют для изготовления ювелирных изделий, столовых приборов, а также для стекловарения, в пищевой и военной промышленности, для создания ракет и для производства водорода и тепла в алюмоэнергетике.

Все о металлах магний, титан и их сплавах

Mg – самое легкое вещество из этой группы. Не обладает прочностью, но есть достоинства, например, пластичность, химическая активность. Благодаря высокой конструкционной способности его добавляют в составы, чтобы увеличивать свариваемость, простоту металлообработки режущим ножом. Необходимо учитывать, что магний очень восприимчив к ржавлению.

Титан имеет похожие качества – легкость, пластичность, серебристый цвет. Но антикоррозийная пленка появляется при первом соприкосновении с кислородом. Отличительные особенности – низкая теплопроводность, электропроводность, отсутствие магнитизма. Металл, содержащий титан, – это вещество, используемое для авиационной, химической, судостроительной промышленности.

Антифрикционные сплавы

Характерная особенность этой группы – удобство применения при механических воздействиях. Они практически не создают трения, а также снижают его у других композитов. Очень часто они выступают в качестве твердой смазки для узлов, например, для подшипников. В составе обычно бывает фторопласт, латунь, бронза, железографит и баббит.

Мягкие

Это те, у которых ослаблены металлические связи. По этой причине они имеют более низкую температуру плавления и кипения, просто деформируются. Иногда можно одним нажатием пальца сделать вмятину, ногтем оставить царапину К ним относятся: медь, серебро, золото, бронза, свинец, алюминий, цезий, натрий, калий, рубидий и другие. Одним из наиболее мягких является ртуть, она находится в природе в жидком состоянии.

Что значит твердый металл

В природе такая руда встречается крайне редко. Порода находится у упавших метеоритов. Один из наиболее популярных – хром. Он тугоплавкий и легко поддается металлообработке. Еще один элемент – вольфрам. Он очень плохо плавится, но при правильной обработке используется в осветительных приборах благодаря устойчивости к теплу и гибкости.

Металлические материалы в энергетике

Мы бы не имели такую развитую электросеть и массу приборов, потребляющих электричество, если бы ряд веществ не отличались наличием свободных электронов, положительных ионов и высокой проводимостью. Провода делают из свинца, меди и алюминия. Отлично бы подошло серебро, но его редкость влияет на стоимость, поэтому редко используется.

Особенности черных вторичных металлов

Это отходы, которые образуются в результате одного из этапа металлообработки – ковки, резки. Это могут быть обрезки или стружки. Они отправляются в сталеплавильные печи, но перед этим должны пройти проверки по ГОСТу. Лом называют чермет, его различают на стальной и чугунный по цене. Его использование очень востребовано вместо обработки руды.

Щелочноземельные сплавы

Это твердые вещества, которые имеют высокую химическую активность. В чистом виде встречаются очень редко, зато применяются в соединениях. Их значение нельзя переоценить с точки зрения анатомии человека и животного. Магний и кальций – необходимые микроэлементы.

Понятие щелочной металл

Они способны растворяться в воде, образуя щелочь. Из-за своей повышенной химической активности (вступление в реакцию происходит с бурным действием, воспламенением, выделением газа, дыма) в природе почти не встречается. Ведь на внешнем уровне всего один электрон, который легко отдается любому веществу. Гидроксиды очень важны в промышленности.

Общая характеристика материалов из d- и f-семейств

Это переходные элементы, которые могут являться как окислителями, так и восстановителями. Свойства зависят от среды, в которой они находятся. Но есть и общие:

• на внешнем уровне много электронов;
• несколько степеней окисления;
• увеличенная валентность;
• прочность;
• тягучесть;
• ковкость.

Из чего состоят побочные подгруппы металлов системы Менделеева

По сути это разновидности предыдущей категории – переходные элементы. Это линейка от скандия до цинка. Они часто выплавляются и обладают фактически такими же характеристиками, как и вышеперечисленные материалы из d- и f-семейств.

Сплавы

Чистые слитки, добываемые из руды, используются максимально редко. Это обусловлено как дороговизной, так и недостаточно хорошими качествами (чтобы исправить, добавляют углерод, легирующие добавки). Иногда в природе встречаются соединения, и нужно только подкорректировать состав. Самые известные:

• латунь;
• бронза;
• сталь;
• чугун.

Сравнение свойств

Вторая часть элементов в периодической системой отличается многообразием характеристик, поэтому почти невозможно привести полную сводную таблицу. Мы предлагаем таблицу, на которой представлено 4 отличительные черты:

Мы рассказали про металл, что это за материал, как он используется. Если вам нужны станки по металлообработке, закажите их в компании «Роста».

Все металлы и сплавы металлов обладают определенными свойствами. Свойства металлов и сплавов разделяют на четыре группы: физические, химические, механические и технологические.

Физические свойства. К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, удельная теплоемкость, электропроводность и способность намагничиваться. Физические свойства некоторых металлов приведены в таблице:

Физические свойства металлов

Плотность. Количество вещества, содержащееся в единице объема, называют плотностью. Плотность металла может изменяться в зависимости от способа его производства и характера обработки.

Температура плавления. Температуру, при которой металл полностью переходит из твердого состояния в жидкое, называют температурой плавления. Каждый металл или сплав имеет свою температуру плавления. Знание температуры плавления металлов помогает правильно вести тепловые процессы при термической обработке металлов.

Теплопроводность.Способность тел передавать тепло от более нагретых частиц к менее нагретым называют теплопроводностью. Теплопроводность металла определяется количеством теплоты, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1см2, длиной 1смв течение 1сек. при разности температур в 1°С.

Тепловое расширение. Нагревание металла до определенной температуры вызывает его расширение.

Величину удлинения металла при нагревании легко определить, если известен коэффициент линейного расширения металла α. Коэффициент объемного расширения металла ß равен Зα.

Удельная теплоемкость. Количество тепла, которое необходимо для повышения температуры 1г вещества на 1°С, называют удельной теплоемкостью.Металлы по сравнению с другими веществами обладают меньшей теплоемкостью, поэтому их нагревают без больших затрат тепла.

Электропроводность. Способность металлов проводить электрический ток называют электропроводностью.Основной величиной, характеризующей электрические свойства металла, является удельное электросопротивление ρ, т. е. сопротивление, которое оказывает току проволока из данного металла длиной 1ми сечением 1мм2. Оно определяется в омах. Величину, обратную удельному электросопротивлению, называют электропроводностью.

Большинство металлов обладает высокой электропроводностью, например серебро, медь и алюминий. С повышением температуры электропроводность уменьшается, а с понижением увеличивается.

Магнитные свойства. Магнитные свойства металлов характеризуются следующими величинами: остаточной индукцией, коэрцетивной силой и магнитной проницаемостью.

Остаточной индукцией (Вr) называют магнитную индукцию, сохраняющуюся в образце после его намагничивания и снятия магнитного поля. Остаточную индукцию измеряют в гауссах.

Коэрцетивной силой (Нс) называют напряженность магнитного поля, которая должна быть приложена к образцу, чтобы свести к нулю остаточную индукцию, т. е. размагнитить образец. Коэрцетивную силу измеряют в эрстедах.

Магнитная проницаемость μ характеризует способность металла намагничиваться под определяется по формуле

μ=Вr/Hc.

Железо, никель, кобальт и гадолиний притягиваются к внешнему магнитному полю значительно сильнее, чем остальные металлы, и постоянно сохраняют способность намагничиваться. Эти металлы называются ферромагнитными (от латинского слова феррум – железо), а их магнитные свойства – ферромагнетизмом. При нагреве до температуры 768°С (температура Кюри) ферромагнетизм исчезает, и металл становится немагнитным.

Химические свойства. Химическими свойствами металлов и сплавов металлов называют свойства, определяющие их отношение к химическим воздействиям различных активных сред. Каждый металл или сплав металла обладает определенной способностью сопротивляться воздействию этих сред.

Химические воздействия среды проявляются в различных формах: железо ржавеет, бронза покрывается зеленым слоем окиси, сталь при нагреве в закалочных печах без защитной атмосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте растворяется и т. д. Поэтому для практического использования металлов и сплавов необходимо знать их химические свойства. Эти свойства определяют по изменению веса испытуемых образцов за единицу времени на единицу поверхности. Например, сопротивление стали окалинообразованию (жаростойкость) устанавливают по увеличению веса образцов за 1 час на 1 дм поверхности в граммах (привес получается за счет образования окислов).

Механические свойства. Механические свойства определяют работоспособность сплавов металлов при воздействии на них внешних сил. К ним относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость и др.

Для определения механических свойств сплавов металлов их подвергают различным испытаниям.

Испытание на растяжение (разрыв). Это основной способ испытания, применяемый для определения предела пропорциональности σпц, предела текучести σs, предела прочности σbотносительного удлинения σ и относительного сужения ψ.

Для испытания на растяжение изготовляют специальные образцы- цилиндрические и плоские. Они могут быть различных размеров, в зависимости от типа разрывной машины, на которой испытывают металл на растяжение.

Разрывная машина работает следующим образом: испытуемый образец закрепляют в зажимах головок и постепенно растягивают с возрастающей силой Р до разрыва.

В начале испытания при небольших нагрузках образец деформируется упруго, удлинение его пропорционально возрастанию нагрузки. Зависимость удлинения образца от приложенной нагрузки называют законом пропорциональности.

Наибольшую нагрузку, которую может выдержать образец без отклонения от закона пропорциональности, называют пределом пропорциональности:

σпц=Рр/Fo,

где Рр -нагрузка в точке Рр, кгс;

Fо – начальная площадь поперечного сечения образца, мм2.

При увеличении нагрузки кривая отклоняется в сторону, т. е. закон пропорциональности нарушается. До точки Ррдеформация образца была упругой. Деформация называется упругой, если она полностью исчезает после разгрузки образца. Практически предел упругости для стали принимают равным пределу пропорциональности.

С дальнейшим увеличением нагрузки (выше точки Ре) кривая начинает значительно отклоняться. Наименьшую нагрузку, при которой образец деформируется без заметного увеличения нагрузки, называют пределом текучести:

σs=Ps/Fo

где Р s– нагрузка в точке Ps, кгс;

Fo– начальная площадь поперечного сечения образца, мм2. После предела текучести нагрузка увеличивается до точки Ре, где она достигает своего максимума. Делением максимальной нагрузки на площадь поперечного сечения образца определяют предел прочности:

σb=Pb/Fo,

где Рв– нагрузка в точке Рь, кгс;

Fo– начальная площадь поперечного сечения образца, мм2. В точке Ркобразец разрывается. По изменению, образца после разрыва судят о пластичности металла, которая характеризуется относительным удлинением δ и сужением ψ.

Под относительным удлинением понимают отношение приращения длины образца после разрыва к его начальной длине, выраженное в процентах:

δ=l1–l0/l0·100%

где l1– длина образца после разрыва, мм;

l0– начальная длина образца, мм.

Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к его начальной площади поперечного сечения

φ=Fo–F1/F0·100%,

где Fo– начальная площадь сечения образца, мм2;

F1– площадь поперечного сечения образца в месте разрыва (шейка), мм2.

Испытание на ползучесть. Ползучесть – это свойство сплавов металлов медленно и непрерывно пластически деформироваться при постоянной нагрузке и высоких температурах. Основной целью испытания на ползучесть является определение предела ползучести – величины напряжения, действующего продолжительное время при определенной температуре.

Для деталей, работающих длительное время при повышенных температурах, учитывают только скорость ползучести при установившемся процессе и задают граничные условия, например1°/о за 1000 час. или 1°/о за 10 000 час.

Испытание на ударную вязкость. Способность металлов, оказывать сопротивление действию ударных нагрузок называют ударной вязкостью. Испытанию на ударную вязкость в основном подвергают конструкционные стали, так как они должны иметь не только высокие показатели статической прочности, но и высокую ударную вязкость.

Для испытания берут образец стандартной формы и размеров. Образец надрезают посередине, чтобы он в процессе испытания переломился в этом месте.

Образец испытывают следующим образом. На опоры маятникового копра кладут испытуемый образецнадрезом к станин. Маятник  весом Gподнимают на высоту h1. При падении с этой высоты маятник острием ножа разрушает образец, после чего поднимается на высоту h2.

По весу маятника и высоте его подъема до и после разрушения образца определяют затраченную работу А.

Зная работу разрушения образца, вычисляем ударную вязкость:

αк=А/F

где А – работа, затраченная на разрушение образца, кгсм;

 F– площадь поперечного сечения образца в месте надреза,см2.

Способ Бринелля. Сущность этого способа заключается в том, что, используя механический пресс, в испытуемый металл под определенной нагрузкой вдавливают стальной закаленный шарики по диаметру полученного отпечатка определяют твердост.

 Способ Роквелла.Для определения твердости по способу Роквелла применяют алмазный конус с углом при вершине 120°,или стальной шарик диаметром 1,58мм. При этом способе измеряют не диаметр отпечатка, а глубину вдавливания алмазного конуса или стального шарика. Твердость указывается стрелкой индикатора сразу после окончания испытания. При испытании закаленных деталей с высокой твердостью применяют алмазный конус и груз в 150 кгс. Твердость в этом случае отсчитывают по шкале С и обозначают HRC. Если при испытании берется стальной шарик и груз в 100 кгс, то твердость отсчитывают по шкале В и обозначают HRB. При испытании очень твердых материалов или тонких изделий используют алмазный конус и груз в 60 кгс. Твердость при этом отсчитывают по шкале А и обозначают HRA.

Детали для определения твердости на приборе Роквелла должны быть хорошо зачищенными и не иметь глубоких рисок. Способ Роквелла позволяет точно и быстро производить испытание металлов.

Способ Викерса.При определении твердости по способу Викерса в качестве наконечника, вдавливаемого в материал, применяют четырехгранную алмазную пирамиду с углом междугранями 136°. Полученный отпечаток измеряют при помощи микроскопа, имеющегося в приборе. Затем по таблице находят число твердости HV. При измерении твердости применяют одну из следующих нагрузок: 5, 10, 20, 30, 50, 100 кгс. Небольшие нагрузки позволяют определять твердость тонких изделий и поверхностных слоев азотируемых и цианируемых деталей. Прибор Викерса обычно используют в лабораториях.

Способ определения микротвердости.Этим способом измеряют твердость очень тонких поверхностных слоев и некоторых структурных составляющих сплавов металлов.

Микротвердость определяют по прибору ПМТ-3, который состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под нагрузкой 0,005-0,5 кгс и металлографического микроскопа. В результате испытания определяют длину диагонали полученного отпечатка, после чего по таблице находят значение твердости. В качестве образцов для определения микротвердости применяют микрошлифы с полированной поверхностью.

Способ упругой отдачи. Для определения твердости способом упругой отдачи применяют прибор Шора, работающий следующим образом. На хорошо зачищенную поверхность испытуемой детали с высоты Н падает боек, снабженный алмазным наконечником. Ударившись о поверхность детали, боек поднимается на высоту h. По высоте отскакивания бойка отсчитывают числа твердости. Чем тверже испытуемый металл, тем больше высота отскакивания бойка, и наоборот. Прибор Шора используют в основном для проверки твердости больших коленчатых валов, головок шатуна, цилиндров и других крупных деталей, твердость которых трудно измерять на других приборах. Прибор Шора позволяет проверять шлифованные детали без нарушения качества поверхности, однако получаемые результаты проверки не всегда точны.

Переводная таблица твердости